張 豐， 李 亮，張 巖， 譚秀全，李愛軍

(1. 山東省魯南地質(zhì)工程勘查院(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊)，山東 濟寧 272100； 2. 中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221000；3. 自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理工程技術創(chuàng)新中心，山東 濟寧 272100)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加速，城市擴張的用地需求不斷增加，而煤炭資源型城市大片塌陷區(qū)的建設利用開發(fā)成為解決當?shù)赜玫孛艿囊粋€重要途徑[1-4]。針對老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價及建設利用問題，國內(nèi)外專家學者做過很多深入的研究，薛丹丹等應用數(shù)值模擬軟件，對黃土高原采空區(qū)上方的窯洞建筑穩(wěn)定性進行計算，研究窯洞建筑受不同采動參數(shù)影響時沉降的變化規(guī)律[4]；康彥將FLAC軟件的模擬結果與實測結果進行對比分析，便于采空區(qū)上方的土地資源得到高效利用[5]；蔡俊林應用概率積分法對林場建設新址的地表沉陷進行準確預測，分析林場新址地基的穩(wěn)定性[6]；朱德福等計算煤層房式采空區(qū)中煤柱穩(wěn)定性，結合房式采空區(qū)煤柱群數(shù)值模擬結果，評價了煤礦房式采空區(qū)煤柱群穩(wěn)定性[7]；楊定明等從采空區(qū)三帶模型出發(fā)，對采空區(qū)地表變形機理及基本規(guī)律進行研究[8]；董憲久基于功效系數(shù)法原理，采用三標度改進層次分析法確定各評價指標的權重系數(shù)，建立了采空區(qū)穩(wěn)定性評判分級新模型[9]。

上述研究成果充分探討了采空區(qū)穩(wěn)定性的控制因素，分析了各種因素影響下采空區(qū)的變形過程，確定了采空區(qū)剩余變形量的計算方法，針對性地提出了適宜的采空區(qū)治理措施及地面建筑物抗變形措施，并成功指導了工程實踐，促進了行業(yè)的技術進步。

但是，上述研究成果大多是針對某一具體工程項目開展具體分析的，濟寧市城市規(guī)劃區(qū)擬建范圍950 km2，截至2018年12 月，城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)涉及19 個煤礦共計1 958 個工作面，工作面水平投影總面積92.47 km2，采空區(qū)埋深170 m～1 200 m，開采煤層厚度0.8 m～10.2 m，開采方法有綜采、條采、充填開采等多種工藝。采用已有研究方法分析每個工作面對地表建設利用的穩(wěn)定性及適宜性評價可行性差，因此，本文探討一種適用于濟寧市城市規(guī)劃區(qū)的大范圍老采空區(qū)穩(wěn)定性評價及建設利用適宜性評價方法。

1 研究區(qū)域基本情況

2016年山東省人民政府批準的《濟寧市城市總體規(guī)劃(2014-2030年)》確定的濟寧中心城市區(qū)范圍面積約為950 km2，包括任城區(qū)、兗州區(qū)，鄒城市、曲阜市、嘉祥縣的街道和部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，城市規(guī)劃區(qū)用地發(fā)展方向為東融、西拓、南興、北延、中優(yōu)。東中西五區(qū)協(xié)同一體發(fā)展、南北新老城打造品質(zhì)生活。

城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤礦眾多，據(jù)調(diào)查城市規(guī)劃區(qū)涉及煤礦采礦權23 個。兗州煤田的開采歷史要早于濟寧煤田和寧陽～汶上煤田，兗州煤田興隆莊煤礦為最早投產(chǎn)煤礦，投產(chǎn)時間為1981 年。濟寧煤田安居煤礦為最晚投產(chǎn)煤礦，投產(chǎn)時間為2015 年。城市規(guī)劃區(qū)與煤礦礦區(qū)重疊面積約559.36 km2，占城市規(guī)劃區(qū)總面積的51.9%。城市規(guī)劃區(qū)與礦井的對照情況如圖1所示。根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃，擬在各礦的老采空區(qū)上方進行各種不同類型建筑物的建設，需要評估采空區(qū)的穩(wěn)定情況和建設利用適宜性。

圖1 研究區(qū)域煤礦分布情況

2 老采空區(qū)極限殘余變形計算

2.1 極限殘余變形計算原理

已有研究成果表明，老采空區(qū)上方地表的殘余變形分為自然狀態(tài)下的緩慢蠕變變形和外界因素影響下的突然失穩(wěn)變形。緩慢蠕變變形時，地表沉陷可在確定適宜的殘余變形系數(shù)后采用概率積分法進行計算；突然失穩(wěn)變形時，可將地層空間轉(zhuǎn)化為等價采厚后采用概率積分法進行計算。

因此，無論是緩慢蠕變變形還是突然失穩(wěn)變形，均是地下空間向地表的釋放，釋放的過程均可以采用概率積分法進行計算，不同點在于釋放的速率不同和總釋放空間量的不同。

極限殘余變形理論假定采出的煤炭資源體積和淺部土層失水固結體積，除去永久不可釋放的部分外，最終會全部釋放到地表。即煤炭資源采出體積可簡化為三部分：已沉陷空間、永遠不可釋放空間和可釋放空間三部分，如圖2所示。

圖2 采出空間分布

極限殘余變形計算時，假定可釋放的殘余變形空間全部釋放到地表，不再考慮釋放時間因素，按最終結果評估采空區(qū)地基穩(wěn)定性和建筑利用適宜性。

2.2 采出空間的確定

無論對于何種規(guī)模的開采區(qū)域和任意開采方法，采出空間最為簡便的方法是利用該生產(chǎn)區(qū)域統(tǒng)計結果中顯示的采煤量除以該區(qū)域的煤炭容重得到，也可以根據(jù)實際生產(chǎn)中的采場布置、開采厚度和采出率等參數(shù)算出。

2.3 已沉陷空間的確定

在進行地表已沉陷空間計算時，主要有兩類方法可采用：第一類利用研究區(qū)域沉陷前后地形數(shù)據(jù)求差獲取；第二類根據(jù)礦區(qū)開采沉陷觀測資料求取。

(1)基于地形數(shù)據(jù)的地表已沉陷空間計算

基于地形數(shù)據(jù)進行地表沉陷空間計算時，核心問題是獲得研究區(qū)域開采沉陷前后的高程信息。在獲取的高程信息基礎上，分別建立研究區(qū)域沉陷前后的DEM，然后進行DEM求差即可獲取沉陷體積。

開采沉陷前的高程數(shù)據(jù)通?？梢愿鶕?jù)研究區(qū)域存檔的原始大比例尺地形圖獲得，而沉陷后的高程數(shù)據(jù)則可以通過實地測量的方法獲取。

(2)基于開采沉陷數(shù)據(jù)的地表已沉陷空間計算

濟寧城市規(guī)劃區(qū)各礦井積累了大量的實測地表觀測站數(shù)據(jù)，根據(jù)已有的觀測數(shù)據(jù)可以建立起適應于對應礦區(qū)的開采沉陷計算模型。根據(jù)開采沉陷計算模型和實測的參數(shù)，則可以計算出開采引起的地表沉陷體積。

2.4 不可釋放空間的計算

由于采空區(qū)上方巖層的碎脹作用及各種力學支撐結構的存在，總有一部分采出空間將永久存在于巖層結構中，這部分不可釋放空間以破碎巖體的殘余碎脹空間為主。在進行殘余碎脹空間計算時，涉及到兩方面的內(nèi)容，一方面為破碎巖石體積的確定，另一方面為殘余碎脹系數(shù)的確定。

(1)破碎巖石體積的確定

采空區(qū)上方的巖層中，其破碎程度從下到上逐漸減小，其中垮落帶中的巖石破碎嚴重，層位錯亂，斷裂帶中巖石呈塊段狀破裂，層位不發(fā)生明顯變化，而彎曲帶中巖石破裂形態(tài)不明顯，因此在進行破碎巖體碎脹計算時，可只考慮破碎嚴重的垮落帶內(nèi)巖體，對塊段狀破裂的斷裂帶和破裂不明顯的彎曲帶不予考慮。

在垮落帶高度確定的基礎上，根據(jù)采場布置情況則可以計算出研究區(qū)域的破碎巖體體積。

(2)殘余碎脹系數(shù)的計算

巖石的碎脹系數(shù)與巖石的粒徑、巖性和圍巖壓力等密切相關，通過大量的統(tǒng)計分析[10]，部分巖石的殘余碎脹系數(shù)如表1所示。

表1 巖石的殘余碎脹系數(shù)

在確定了破碎巖體的體積和殘余碎脹系數(shù)后，巖石殘余碎脹所占用空間可采用破碎巖體體積與殘余碎脹系數(shù)中的小數(shù)部分相乘進行計算。

2.5 濟寧城市規(guī)劃區(qū)極限殘余變形計算

在進行濟寧城市規(guī)劃區(qū)極限殘余變形計算時，根據(jù)采空區(qū)類型，分別確定各采空區(qū)的可釋放空間。

(1)長壁采空區(qū)：根據(jù)區(qū)域?qū)崪y資料確定垮落斷裂帶高度，然后利用上述方法計算得出采空區(qū)上覆巖層中的可釋放空間；

(2)條帶開采區(qū)域：假定極端情況下，條帶煤柱的長期穩(wěn)定性無法保持，條帶煤柱碎落到周邊采空區(qū)，然后利用上述方法計算得出采空區(qū)上覆巖層中的可釋放空間；

(3)充填開采區(qū)域：根據(jù)充填材料的性質(zhì)將充填體的可壓縮量和充填時的懸頂距合并為等價采厚，然后利用上述方法計算得出采空區(qū)上覆巖層中的可釋放空間。

大量的實測資料表明，老采空區(qū)上方的地表殘余變形仍符合概率積分法規(guī)律。因此，依據(jù)上述方法確定出各工作面區(qū)域的極限剩余可釋放空間，利用各礦井實測的概率積分法參數(shù)，可計算得到濟寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)的殘余下沉,如圖3所示。變形情況不再一一列出。

圖3 濟寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)殘余下沉等值線圖

3 濟寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)穩(wěn)定性評價

《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》中規(guī)定，采空區(qū)穩(wěn)定性評價需綜合分析采空區(qū)類型、開采條件、終采時間、地表移動變形特征、頂板巖性及覆蓋土層厚度等評價因子，采用開采條件判別法對采空區(qū)穩(wěn)定性進行評價。

綜合分析上述因素可知，采空區(qū)穩(wěn)定性評價的核心在于確定評估區(qū)域后續(xù)仍會產(chǎn)生多少剩余變形量。因此，以第三部分確定的老采空區(qū)殘余變形為主，綜合利用上述評價因子，對濟寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)穩(wěn)定性進行評價。評價時，只有各因子均滿足穩(wěn)定性條件，采空區(qū)綜合評價結果為穩(wěn)定；只要有一個因子達到不穩(wěn)定，則該區(qū)域評價結果為不穩(wěn)定；其余區(qū)域評價結果為基本穩(wěn)定。綜合評價結果如圖4所示。

圖4 濟寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)穩(wěn)定性評價結果

4 濟寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)建設利用適宜性評價

《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定，根據(jù)采空區(qū)場地穩(wěn)定性、地表變形特征及發(fā)展趨勢、地表移動變形值、采深或采深采厚比、垮落裂隙帶的密實狀態(tài)、活化影響因素，采用工程類比法、采空區(qū)特征判別法、活化影響因素分析法、地表剩余變形判別法等方法，開展適宜性評價工作。

評價的核心因素在于評估區(qū)域后續(xù)產(chǎn)生的變形量對擬建建筑物的影響，大部分指標與采空區(qū)穩(wěn)定性評價指標重合。但是，濟寧市城市規(guī)劃區(qū)部分區(qū)域為高潛水位區(qū)域，采煤塌陷區(qū)會出現(xiàn)大面積的積水，在積水區(qū)內(nèi)進行工程建設是不切合實際的。因此，根據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)查結果，確定評價區(qū)域的積水區(qū)，將積水區(qū)劃定為工程建設利用適宜性差的區(qū)域。

在確定積水區(qū)時，根據(jù)收集到的區(qū)域多年水文地質(zhì)資料，選用近些年最高水位2010年豐水期水位為準，確定出各礦范圍內(nèi)對應的積水區(qū)下沉量，如表2所示。當沉陷值超過該下沉量時，則判定該區(qū)域為積水區(qū)，工程建設利用適宜性差。

表2 濟寧城市規(guī)劃區(qū)各礦積水時下沉量

綜合利用上述各指標對濟寧市城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)工程建設適宜性進行評價。評價時遵循如下原則：(1)有一個及一個以上因子評價結果為“適宜性差”，則該區(qū)域評價結果為“適宜性差”；(2)所有因子評價結果均為“適宜”，則該區(qū)域評價結果為“適宜”；(3)除上述兩種情況外，其余區(qū)域評價結果為“基本適宜”。綜合評價結果如圖5所示。

圖5 濟寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)建設利用適宜性評價結果

5 結 論

通過對濟寧城市規(guī)劃區(qū)大范圍老采空區(qū)建設利用適宜性評價問題開展研究，得到如下主要結論：

(1)針對現(xiàn)有的采空區(qū)殘余變形計算方法進行大范圍評價難度較大的問題，提出了一種采空區(qū)極限殘余變形計算方法，并分別給出了長壁采空區(qū)、條帶采空區(qū)和充填采空區(qū)計算原則。

(2)在極限殘余變形計算的基礎上，利用采空區(qū)穩(wěn)定性評價各因子綜合評價了濟寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)的地基穩(wěn)定性。

(3)基于區(qū)域水文資料，確定了各礦井的積水沉陷深度，并綜合其它因素進行了濟寧城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)建設利用適宜性評價。